手(shou)性(xing)(xing)材(cai)料在(zai)推(tui)動生(sheng)物標(biao)記(ji)、手(shou)性(xing)(xing)分析(xi)和(he)檢(jian)測、對映異構(gou)(gou)體(ti)選(xuan)擇性(xing)(xing)分離、偏振(zhen)相關光子(zi)學(xue)和(he)光電子(zi)學(xue)應用等領(ling)域(yu)的(de)發展具有重要意義。目前，傳(chuan)統手(shou)性(xing)(xing)納(na)米材(cai)料主要是(shi)通過引入(ru)手(shou)性(xing)(xing)配體(ti)或構(gou)(gou)造(zao)螺旋結構(gou)(gou)等電偶極(ji)矩調控方式構(gou)(gou)筑，但這類手(shou)性(xing)(xing)材(cai)料在(zai)環境穩定性(xing)(xing)和(he)導電性(xing)(xing)方面(mian)通常存在(zai)局(ju)限性(xing)(xing)，極(ji)大地限制了(le)其(qi)實(shi)際應用。探索新的(de)調控機制并(bing)構(gou)(gou)筑新型(xing)手(shou)性(xing)(xing)納(na)米功能(neng)材(cai)料是(shi)突破這一科學(xue)瓶頸的(de)新途徑。
近日，188bet足球俞(yu)書宏院士團(tuan)隊與國家納米科學中心唐(tang)智勇研究員(yuan)課題組、多倫多大(da)學Edward Sargent教授團隊開展多方合(he)(he)作(zuo)，在(zai)新(xin)型手性無機(ji)納(na)米(mi)材料(liao)(liao)合(he)(he)成研究(jiu)中取得突破(po)性進展。研究(jiu)人員首(shou)次通過在(zai)一維(wei)納(na)米(mi)結構單(dan)元中定點(dian)選擇性復合(he)(he)磁(ci)(ci)性材料(liao)(liao)，利用(yong)局(ju)域磁(ci)(ci)場調制電偶極矩(ju)與磁(ci)(ci)偶極矩(ju)之(zhi)間的相互作(zuo)用(yong)，成功合(he)(he)成了一類新(xin)型手性無機(ji)納(na)米(mi)材料(liao)(liao)。該成果以“Regioselective magnetization in semiconducting nanorods”為題在線發表《自然納米技術》雜志上(Nat. Nanotechnol. 2020, 10.1038/s41565-019-0606-8)。
圖1：一(yi)維納米(mi)棒(bang)的位點選擇(ze)性磁(ci)化(hua)。（a-c）異質(zhi)成核(he)生長與(yu)兩(liang)種材料間接觸(chu)角(jiao)的關系總結。（d）“雙緩(huan)沖層”策(ce)略(lve)實現磁性(xing)組分在(zai)納米棒端(duan)點的選擇性(xing)生長。
俞書宏院(yuan)士團(tuan)隊長期開展功能無機(ji)納米材(cai)料的(de)合成(cheng)方(fang)法學(xue)研究，在(zai)膠體(ti)納米晶(jing)成(cheng)核生(sheng)長方(fang)面(mian)積累了(le)豐富經驗。構建此類磁(ci)光手性納米異質結構的(de)前提(ti)是在(zai)特定位置引(yin)入局(ju)域(yu)磁(ci)場，因而(er)需要(yao)實現磁(ci)性單元(yuan)的(de)位點選(xuan)擇性生(sheng)長。研究人員基于材(cai)料間接觸角與異質成(cheng)核生(sheng)長的(de)相互關系（圖1a-c），提出了一種“雙(shuang)緩沖層設計”合成策(ce)略（圖1d），通(tong)過次序引入中間緩沖層(ceng)改(gai)變材料(liao)間的(de)界面能差異，從而(er)解決了傳統半(ban)導體材料(liao)與磁性材料(liao)間的(de)晶(jing)格和化學失配(pei)問題，巧妙(miao)地實(shi)現(xian)了磁性材料(liao)在不同半(ban)導體特定位置的(de)選擇性生長。
研(yan)究人員發現，在(zai)(zai)納米(mi)結構(gou)中(zhong)引入(ru)局域磁(ci)場可實(shi)現對電偶極矩(ju)與(yu)磁(ci)偶極矩(ju)的(de)有效調控。通過構(gou)筑(zhu)這類(lei)新(xin)型磁(ci)光納米(mi)材料(liao)，能夠實(shi)現磁(ci)誘導(dao)光學活性(xing)，為(wei)開發新(xin)型手性(xing)無機納米(mi)材料(liao)提(ti)供了(le)新(xin)途徑。他們以常見的(de)一維硫(liu)屬化合物半導(dao)體納米(mi)棒為(wei)例，通過在(zai)(zai)納米(mi)棒的(de)頂點處集成(cheng)Ag2S/Au核殼(ke)結構組分，催化Fe3O4磁性(xing)納米顆粒(li)的(de)定點生長，成功構筑了ZnxCd1-xS-Ag2S/Au@Fe3O4 (x = 1, 0.9, 0.5, 0.3, 0) 四元異質納米棒（圖2）。得益于這種局域磁場(chang)調(diao)控機(ji)制，異質納米棒的電偶(ou)極矩發生偏轉并(bing)與(yu)磁偶(ou)極矩產生非零(ling)相互(hu)作用，從而(er)在不引入手(shou)性(xing)(xing)(xing)配體(ti)、螺旋結(jie)構或(huo)手(shou)性(xing)(xing)(xing)晶格的前提下，展現出了手(shou)性(xing)(xing)(xing)光學(xue)活(huo)性(xing)(xing)(xing)（圖3）。
圖2：四元(yuan)異質納(na)米棒的(de)外(wai)延生長表(biao)征(zheng)。（a-b）高分(fen)辨圖像顯示每種組分(fen)晶面，展示了沿立方晶體[111]軸的外(wai)延生(sheng)長方向。（c）異質(zhi)納米棒的三維模型和俯視(shi)投(tou)影圖。（d）晶面原(yuan)子模型。（e）納米(mi)棒組分(fen)元素分(fen)布。（f-h）納米棒端(duan)點結構分析。
圖3：局域磁場(chang)在膠(jiao)體(ti)異質納(na)米棒中的(de)光學活性體(ti)現(xian)。（a）電偶極(ji)矩與(yu)(yu)磁偶極(ji)矩的(de)相互作(zuo)用(yong)與(yu)(yu)材料的(de)手性關(guan)系。（b）異質(zhi)納米(mi)棒的磁(ci)滯(zhi)回線(xian)。（c-d）圓二色性(xing)測試結果。（e-f）磁圓(yuan)二色性測試(shi)結果。
研(yan)究結果表明，該方法具有高度(du)普適(shi)性(xing)，可(ke)廣泛用于多種(zhong)半導體材料與磁性(xing)組分(fen)間(jian)的(de)耦(ou)合，為今(jin)后設計開(kai)發(fa)手性(xing)光學(xue)活性(xing)納(na)米材料開(kai)辟(pi)了新(xin)途(tu)徑(jing)。同時，這(zhe)種(zhong)新(xin)型(xing)磁(ci)光半(ban)導體納(na)米材料的(de)成功開(kai)發(fa)使得在室溫下的(de)各向異性(xing)鐵(tie)磁(ci)性(xing)以及自旋(xuan)操控成為可能，從而有望(wang)為自旋(xuan)電(dian)子(zi)學(xue)和量子(zi)計算技術(shu)提供新(xin)的(de)材料平臺(tai)。
該項(xiang)(xiang)研究受到國(guo)家(jia)自然(ran)科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)基金委(wei)創新(xin)研究群體、國(guo)家(jia)自然(ran)科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)基金重(zhong)(zhong)點項(xiang)(xiang)目(mu)、中國(guo)科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)院前沿(yan)科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)重(zhong)(zhong)點研究項(xiang)(xiang)目(mu)、中國(guo)科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)院納米科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)卓越創新(xin)中心(xin)等項(xiang)(xiang)目(mu)的資助。
論文鏈接：//www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8
（合肥(fei)微尺度物質(zhi)科(ke)學國家研究(jiu)中心，化學與材料(liao)科(ke)學學院，科(ke)研部）